 |
|
Порядок выполнения работы
Е.А. Шестаков, Д.Ю. Демин
Фильтрование
Методические указания к лабораторным работам
Березники 2006
Министерство образования и науки РФ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Пермский государственный технический университет
Березниковский филиал
Кафедра технологии и механизации производств
Фильтрование
Методические указания к лабораторным работам по курсам
«Процессы и аппараты химической технологии»,
«Технологические процессы и производство»,
«Гидродинамические процессы и оборудование»
Березники 2006
УДК 66
Ш 51
Составители Е. А. Шестаков, Д. Ю. Демин
Фильтрование: Метод. указания к лабораторным работам / Сост. Е. А. Шестаков, Д. Ю. Демин; Перм. гос. техн. ун-т. – Березниковский филиал, 2006. – 16 с.
Изложены основы процесса фильтрования и методика определения сопротивления фильтровальной перегородки и удельного сопротивления осадка.
Предназначены для выполнения лабораторных работ по курсам «Процессы и аппараты химической технологии», «Технологические процессы и производство», «Гидродинамические процессы и оборудование» студентами специальностей МАХП, ХТНВ, АТП факультетов очного и очно–заочного обучения.
Рецензент: канд.техн.наук, доцент С.Э. Шаклеина
ã Пермский государственный
технический университет, 2006
Основы теории
Фильтрованием называют процесс разделения неоднородных систем при помощи пористых перегородок, которые задерживают одни фазы этих систем и пропускают другие.
В условиях фильтрования в химической пищевой, нефтеперерабатывающей и других родственных отраслях промышленности происходит разделение суспензии на осветленную жидкость и влажный осадок. Разделение суспензии, состоящей из жидкости, в которой находятся взвешенные твердые частицы, производится при помощи фильтрующей аппаратуры. В простейшем случае фильтр может представлять сосуд, разделенный на две части пористой фильтровальной перегородкой. Суспензию помещают над фильтровальной перегородкой, через которую жидкость проходит, а твердые части задерживаются на ней. Таким образом суспензия разделяется на чистый фильтрат и влажный осадок.
Фильтрование является гидродинамическим процессом, скорость которого прямо пропорциональна разности давлений, создаваемой по обеим сторонам фильтровальной перегородки, и обратно пропорциональна сопротивлению, испытываемому жидкостью при её движении через поры перегородки и слой образовавшегося осадка. Общее сопротивление процесса фильтрования является суммой сопротивлений фильтровальной перегородки и слоя осадка. Движущей силой процесса фильтрования является разность давлений в разделенных частях сосуда. Разность давлений по обеим сторонам фильтровальной перегородки может быть создана компрессором, вакуум-насосом, жидкостным насосом, а также с помощью гидростатического давления самой разделяемой суспензии.
Процесс фильтрования является одним из сложных процессов в химической технологии. Его особенностью является влияние на течение процесса двух принципиально различных групп факторов (макро- и микрофакторов).
К группе макрофакторов относятся:
1. Поверхность и вид фильтровальной перегородки.
Фильтрование может происходить: а) с закупориванием пор, когда на поверхности фильтровальной перегородки осадок почти не образуется, и твердые частицы задерживаются внутри пор, и б) с образованием осадка, когда твердые частицы почти не проникают внутрь фильтровальной перегородки, а остаются на её поверхности.
2. Разность давлений.
Промышленные фильтры разделяюся по величине рабочего давления на вакуум-фильтры, работающие под вакуумом и фильтры, работающие под избыточным давлением, но независимо от того, каким образом создается разность давлений, движущая сила процесса фильтрования прямо пропорциональна этой разности.
3. Изменение толщины слоя осадка, а, следовательно, и изменение сопротивления осадка.
Увеличение сопротивления прохождения жидкостью при фильтровании с закупориванием пор происходит из-за возрастания сопротивления фильтровальной перегородки, а при фильтровании с образованием осадка – повышением сопротивления увеличивающегося слоя осадка.
4. Вязкость жидкой фазы, которая характеризует способность этой фазы проходить через поры осадка и фильтровальной перегородки.
К группе микрофакторов относятся размер и форма пор осадка и фильтровальной перегородки. Структура осадка, прежде всего, определяется гидродинамическими факторами, к числу которых относится неравномерность размера твердых частиц, которые влияют на геометрическую структуру элементарного слоя осадка не только в момент его формирования, но также в процессе фильтрования. Такая способность твердых частиц деформироваться под действием разности давлений, может привести к сплющиванию частиц, и закрытию ими входов в поры.
Наконец огромное влияние на течение процесса фильтрования и условия образования суспензии оказывает её предварительная обработка, а также добавление к суспензии коагулирующих и пептизирующих веществ. Эти факторы могут во много раз изменить сопротивление осадка, что вызовет соответствующее изменение скорости фильтрования.
Наряду с вышеописанными факторами большое влияние на процесс фильтрования оказывают фильтровальные перегородки. Они представляют собой самую существенную часть фильтра и от правильного выбора их во многом зависят производительность фильтровального оборудования и чистота получаемого фильтрата.
В общем случае фильтровальная перегородка должна обладать следующими свойствами:
1. хорошо задерживать твердые частицы суспензии;
2. иметь небольшое гидравлическое сопротивление потоку фильтрата;
3. легко отделятся от осадка;
4. обладать устойчивостью к химическому воздействию разделяемых веществ;
5. не набухать при прикосновении с жидкой фазой суспензии и промывной жидкостью;
6. иметь достаточную механическую прочность;
7. обладать теплостойкостью при температуре фильтрования;
8. иметь небольшую стоимость.
По принципу действия фильтровальные перегородки подразделяются на поверхностные и глубинные.
Поверхностные фильтровальные перегородки отличаются тем, что твердые частицы суспензии при её разделении в основном задерживаются на их поверхности, не проникая в поры. К таким перегородкам относятся: фильтровальная бумага, ткани, некоторые нетканые материалы (войлок), металлические сетки.
Глубинные фильтровальные перегородки, которые преимущественно используются для осветления жидкостей, характеризуются тем, что твердые частицы суспензии в процессе её разделения в основном проникают в поры и задерживаются там. Это происходит вследствие того, что поры таких перегородок значительно больше частиц суспензии. При этом частицы суспензии задерживаются в порах в результате адсорбции, осаждения и застревания.
Также фильтровальные перегородки могут быть классифицированы:
1) по материалу (хлопчатобумажные, шерстяные, синтетические, стеклянные, керамические, металлические материалы).
2) по структуре (гибкие и негибкие). Гибкие перегородки могут быть металлическими и неметаллическими, а также состоять из смешанных материалов. Негибкие перегородки могут быть жесткими (состоящими из связанных твердых частиц) или нежесткими (состоящими из несвязанных твердых частиц).
В промышленности одной из основных характеристик, используемых для классификации фильтров, является периодичность или непрерывность их действия, в связи с чем они подразделяются на фильтры периодического действия и фильтры непрерывного действия. Кроме того, при классификации фильтров следует учитывать их конструктивные особенности: форму и расположение фильтровальной перегородки, а также зон для размещения суспензии, осадка и фильтрата; способ удаления осадка; наличие или отсутствие устройств для промывки, обезвоживания и сушки осадка.
Любой существующий фильтр непрерывного действия отличатся тем, что каждый элементарный участок его поверхности фильтрования непрерывно перемещается по замкнутой кривой, причем на этом участке последовательно осуществляются различные операции: разделение суспензии, промывка, обезвоживание, сушка и удаление осадка, промывка фильтровальной перегородки. Фильтры непрерывного действия работают при коротких циклах фильтрования с автоматической промывкой и разгрузкой осадка. Вследствие быстрой и непрерывной смены отдельных операций скорость фильтрования в таких фильтрах значительно выше, чем в фильтрах периодического действия. Вместе с тем преимущества фильтров непрерывного действия могут быть использованы в полной мере только при постоянном составе разделяемой суспензии и сравнительно крупном масштабе производства.
Для проведения процессов фильтрования с закупориванием пор используются фильтры периодического действия. Эффективней всего они работают при длинных циклах фильтрования, так как частое повторение вспомогательных операций (выгрузка, сборка фильтрата, загрузка) резко снижает их прозводительность. Однако периодически действующие фильтры сохраняют свое значение для небольших производств, особенно при разнообразном ассортименте продукции, когда требуется частое изменение режима фильтрования, а также для отделения труднофильтруемых и требующих тщательной промывки осадков.
Интенсификация процесса фильтрования может быть достигнута двумя различными методами.
Первый метод, который широко применяется в настоящее время, заключается в том, что полученную и подлежащую разделению суспензию обрабатывают таким образом, чтобы в процессе фильтрования образовался осадок с возможно меньшим сопротивлением. Для этого к суспензии добавляют дополнительные вещества, флокулянты или электролиты.
Второй метод, который сейчас редко используется, в процессе получения суспензии создает такие условия, которые обеспечивают образование твердых частиц, дающих при фильтровании осадок с пониженным сопротивлением. Такого результата можно достигнуть применением более чистых исходных веществ и проведением предыдущих стадий процесса в более мягких условиях, чтобы уменьшить возможность появления в суспензии смолистых, слизистых и коллоидных примесей. К этой же цели ведет надлежащее изменение температуры и продолжительности предыдущей операции кристаллизации, а также скорости и порядка прибавления реагирующих веществ при образовании суспензии.
В процессе фильтрования на фильтровальной перегородке при разделении суспензий образуется осадок, подразделяющийся на сжимаемый и несжимаемый.
Пористость сжимаемых осадков уменьшается в процессе фильтрования, что приводит к возрастанию гидравлического сопротивления потоку жидкой фазы. Сжимаемые осадки состоят из легкодеформируемых частиц достаточно малых размеров (осадки гидроокисей металлов, пастообразные аморфные осадки и др.).
В лабораторной установке осуществляется фильтрование с образованием несжимаемого осадка при постоянном перепаде давления. Несжимаемыми называют такие осадки и перегородки, пористость которых и, следовательно, сопротивление потоку жидкости остаются постоянными в процессе фильтрования. Несжимаемые осадки состоят из механически прочных частиц размером более 100 мкм, например, из частиц песка, мела, соды, минеральных солей и т. д.
Уравнения фильтрования для несжимаемых сред позволяют представить основные закономерности процесса фильтрования в простом и наглядном виде, в результате чего анализ обычно встречающегося на практике сложного процесса фильтрования (сжимаемый осадок, сжимаемая перегородка) становится более доступным.
Опыт показывает, что объем фильтрата, получаемый за малый промежуток времени с единицы поверхности фильтра, прямо пропорционален разности давлений и обратно пропорционален вязкости фильтрата и общему сопротивлению осадка и фильтровальной перегородки.
В дифференциальной форме это можно представить так:
, (1)
где V – объем фильтрата, м3;
S – поверхность фильтрования, м2;
t– продолжительность фильтрования, с;
DР – разность давлений, Н/м2;
m – коэффициент динамической вязкости жидкой фазы, Па×с;
Roc – сопротивление слоя осадка, м-1;
Rф.п – сопротивление фильтровальной перегородки, м-1.
Ввиду небольшого размера пор и малой скорости движения жидкой фазы в порах режим течения фильтрата является ламинарным. Поэтому сопротивление слоя осадка пропорционально его толщине
, 2)
где rо – удельное сопротивление слоя осадка, м-2;
hос – толщина слоя осадка, м.
Толщину слоя осадка можно выразить следующим образом:
, (3)
где хо – отношение объема осадка Vос к объему фильтрата V (относительная объемная концентрация твердой фазы в разделяемой суспензии);
, (4)
где V – объем фильтрата, м3.
Основное уравнение процесса фильтрования (1) преобразуется к следующему виду:
. (5)
В этом уравнении применительно к условиям лабораторной работы значения DР, S, r0, x0, Rф.п и m (при неизменной температуре жидкости) являются постоянными. Разделяя в уравнении (5) переменные и интегрируя в пределах от 0 до V и от 0 до t, получим
. (6)
После небольшого преобразования получаем выражение
, (7)
где a – отрезок, отсекаемый на оси ординат;
b – тангенс угла наклона прямой.
При этом постоянные a и b определяются равенствами
, 
, (8)
откуда
, (9)
. (10)
Таким образом, зная величины a и b,можно определить значения r0, Rф.п. Поскольку удельное сопротивление осадка и сопротивление фильтровальной перегородки зависят от их структуры, формы, природы, крупности частиц и т. п., определение r0, Rф.п производится опытным путем.
Порядок выполнения работы
Цель работы.
1. Экспериментальное изучение процесса фильтрования суспензии.
2. Определение сопротивления фильтровальной перегородки и удельного сопротивления осадка.
